本案例利用Fluent求解计算管壳式换热器内部流场分布。其中涉及到共轭传热问题。

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几何准备

• 启动Workbench，添加模块Fluid Flow

• 右键选择A2单元格，选择菜单Import Geometry → Browse…，在弹出的文件选择对话框中，选择打开几何文件Heat-Exchanger.stp

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划分网格

• 双击A2单元格，进入Mesh模块

在本案例中，要求解的是共轭传热问题，在建模的过程中，保留了管程与壳程之间的管道几何，因此几何模型存在两对交界面：壳程与管道外壁面、管程与管道内壁面。

几何模型如下图所示。

• 选择边界面，点击鼠标右键，选择菜单Create Named Selection….为边界命名，共命名四个进出口边界，如下图所示，并将三个实体区域分别命名为tube、shell、fluid_domain

• 鼠标右键选择模型树节点Connection > Contacts > Contact Region，选择弹出菜单Rename，将其重新命名为interface1，相同的方式将另一个节点Contact Region 2重命名为interface 2

• 选中模型树节点Mesh，在属性设置窗口中，设置Span Angle Center为Fine，设置Smoothing为High

• 右键选择模型树节点Mesh，选择弹出菜单Generate Mesh生成网格

注：本案例仅为演示软件操作，并未对网格进行精细控制。若是工程计算，则需要仔细设计网格参数，生成质量更好的计算网格。

最终生成的网格如下图所示。

剖切面上的网格如下图所示。

注：对于传热问题，边界层网格非常重要。本案例的重点并不在网格划分，因此并未对网格进行过多控制。工程计算过程中，需要仔细设计壁面边界处的网格。

• 关闭Mesh模块，返回至Workbench中，右键选择A3单元格，选择弹出菜单Update更新网格

• 双击A4单元格，采用双精度求解器Double Precision进入Fluent

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Fluent设置

3.1 General设置

• 双击模型树节点General

• 激活选项Gravity，设置重力加速度为Z方向-9.81 m/s2

3.2 Models

激活能量方程及湍流方程。

• 右键选择模型树节点Models > Energy，选择右键菜单项On

• 双击模型树节点Models > Viscous，弹出湍流模型选择对话框，选择Realizable k-epsilon湍流模型及Scalable Wall Functions壁面函数，点击OK按钮关闭对话框

涉及到温度计算，都需要开启能量方程。一般的湍流计算，Realizable k-epsilon模型是不错的选择。

3.3 Materials设置

这里要添加新材料：铜和水。

• 双击模型树节点Materials，点击右侧面板按钮Create/Edit…弹出材料定义对话框

• 选择材料Cooper，点击Copy按钮添加材料铜。如下图所示

• 相同方式添加材料water-liquid。

材料添加完毕后，模型树节点如下图所示。

3.4 Cell Zone Conditions

为不同的区域赋予材料。

• 右键选择模型树节点Cell Zone Conditions > fluid_domain，选择菜单项Type → fluid，弹出区域定义对话框

• 在弹出的对话框中，设置Material Name为water-liquid

• 相同方式，设置shell类型为fluid，材料为water-liquid

• 设置区域tube的类型为solid，材料为copper，如下图所示

3.5 Boundary Conditions

1、cold-inlet边界

• 右键选择模型树节点Boundary Conditions > cold-inlet，选择弹出菜单Edit…，进入边界条件设置对话框

• 在设置对话框中进入Momentum标签页，设置Velocity为1 m/s

• 切换至Thermal标签页，设置Temperature为285.15 K，点击OK按钮关闭对话框

同样步骤设置其他边界条件，如表所示。

2、hot-inlet边界

• 右键选择模型树节点Boundary Conditions > hot-inlet，选择弹出菜单Edit…，进入边界条件设置对话框

• 在设置对话框中进入Momentum标签页，设置Velocity为1 m/s

• 切换至Thermal标签页，设置Temperature为368.15 K，点击OK按钮关闭对话框

3、wall-shell边界

• 右键选择模型树节点Boundary Conditions > wall-shell，选择弹出菜单Edit…，进入边界条件设置对话框

• 切换到Thermal标签页，设置Thermal Conditions为Convection

• 设置Heat Transfer Coefficient为23 w/m2-k，设置Free Stream Temperature为305.15 K，设置wall Thickness为0.001 m

• 设置Material Name为copper，点击OK按钮关闭对话框

wall-shell壁面为换热器外壁面，这部分固体模型并未建立实体模型。

4、wall-tube边界

• 右键选择模型树节点Boundary Conditions > wall-tube，选择弹出菜单Edit…，进入边界条件设置对话框

• 切换到Thermal标签页，设置Thermal Conditions为Convection

• 设置Heat Transfer Coefficient为23 w/m2-k，设置Free Stream Temperature为303.15 K

• 设置Material Name为copper，点击OK按钮关闭对话框

3.6 Mesh Interface

软件自动生成了两对interface，这里还需要将interface设置为coupling。

• 右键选择模型树节点Mesh Interfaces > interface_1，选择弹出菜单Edit…，弹出编辑对话框

• 在弹出的对话框中选择列表项interface_1，点击按钮Edit…，弹出Edit Mesh Interfaces对话框

• 在弹出的对话框中，激活选项Coupled Wall，点击Apply按钮

• 选择列表项interface_2，激活选项Coupled Wall，点击Apply按钮及Close按钮

3.7 初始化

• 双击模型树节点Solution > Initialization，点击右侧面板中按钮Initialize进行初始化

• 点击Patch按钮，弹出设置对话框

• 选择Variable列表项Tepmerature，选择zone列表项fluid_domain、shell及tube，设置Value为293.15 K，点击Patch按钮及Close按钮

3.8 Run Calculation

• 双击模型树节点Run Calculation，右侧面板中设置Number of Iterations为1000

• 点击Calculate按钮进行计算

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计算后处理

• 关闭Fluent，返回Workbench

• 双击A6单元格进入CFD-Post

• 选择菜单Insert → Location → Plane，设置Method为ZX Plane，设置Y为0

• 切换至Color标签页，设置Variable为Temperature，设置Range为Local，点击Apply按钮查看温度分布

温度分布如下图所示。

计算结果有点怪，感觉是网格太粗糙所导致的。各位小伙伴有兴趣的可以调整网格再计算试试。

本案例文件可在这里获取【链接：http://pan.baidu.com/s/1cg0ifG 密码：suq3】

本篇文章来源于微信公众号: CFD之道